Roztwory na maturze z chemii: stężenia, hydraty i obliczenia z wydajnością

Dział zaczyna się od podziału mieszanin na jednorodne i niejednorodne. W roztworze soli w wodzie nie da się wskazać granicy między składnikami, a w wodzie z piaskiem albo w oleju nalanym na wodę widać osobne fazy. Do mieszanin niejednorodnych należą też emulsje, czyli drobne kropelki jednej cieczy rozproszone w innej, z którą się nie miesza. Wytrząśnięty olej z wodą po chwili znowu się rozwarstwia, a dodatek emulgatora, na przykład mydła, sprawia, że kropelki dłużej pozostają rozproszone. Od tego podziału zależy sposób rozdzielania. Sączenie i dekantacja służą mieszaninom cieczy z nierozpuszczonym ciałem stałym. Roztwór właściwy przechodzi przez sączek bez zmian, więc rozdziela się go odparowaniem, krystalizacją albo destylacją. Ekstrakcja i chromatografia przydają się wtedy, gdy składniki różnie zachowują się wobec dwóch faz, na przykład dwóch niemieszających się cieczy, a elektroforeza rozdziela cząstki obdarzone ładunkiem, które w polu elektrycznym przesuwają się z różną szybkością. Przy destylacji liczy się różnica temperatur wrzenia składników, a przy krystalizacji to, że rozpuszczalność substancji zmienia się wraz z temperaturą.

Druga grupa zadań dotyczy rozpuszczalności, czyli największej masy substancji, jaką w danej temperaturze da się rozpuścić w stu gramach wody. Roztwór, który zawiera dokładnie tyle substancji, jest nasycony, a roztwór z mniejszą ilością jest nienasycony. Krzywe rozpuszczalności pokazują, że większość ciał stałych rozpuszcza się lepiej w cieplejszej wodzie, a gazy odwrotnie: przy ogrzewaniu ich rozpuszczalność spada, rośnie za to pod wyższym ciśnieniem. Z wykresu odczytuje się, ile substancji można jeszcze dosypać do roztworu, ile wykrystalizuje po oziębieniu roztworu nasyconego i w jakiej temperaturze roztwór o znanym składzie osiągnie nasycenie. Osobnym przypadkiem jest roztwór przesycony, który zawiera więcej substancji, niż pozwala rozpuszczalność, i krystalizuje, gdy wrzuci się do niego kryształek. Do tej grupy należy też odzyskiwanie substancji z roztworu przez odparowanie części wody.

Trzecia grupa to stężenia. Stężenie procentowe mówi, jaką część masy roztworu stanowi substancja rozpuszczona, a stężenie molowe, ile moli tej substancji przypada na decymetr sześcienny roztworu. Żeby przejść od jednego do drugiego, potrzeba gęstości roztworu i masy molowej substancji: gęstość zamienia masę roztworu na objętość, a masa molowa gramy na mole. Gęstość podaje się zwykle w gramach na centymetr sześcienny, więc przy stężeniu molowym trzeba jeszcze przejść na decymetry sześcienne. Do tej samej grupy należą rozcieńczanie, zatężanie przez odparowanie i mieszanie roztworów. Rachunek opiera się zawsze na tym samym spostrzeżeniu. Dolanie wody nie zmienia ani masy, ani liczby moli substancji rozpuszczonej, zmienia tylko ilość roztworu. Przy mieszaniu dwóch roztworów dodaje się masy substancji i masy roztworów, nigdy same stężenia.

Czwarta grupa łączy stężenia z budową substancji. Wiele soli krystalizuje jako hydraty, w których na każdy mol soli przypada stała liczba moli wody krystalizacyjnej. Po rozpuszczeniu hydratu sól staje się substancją rozpuszczoną, a jego woda dołącza do rozpuszczalnika. Odważkę hydratu trzeba więc w rachunku rozdzielić na dwie części i każdą dopisać do innej masy. Zadania odwracają też ten rachunek: z ubytku masy podczas prażenia albo z danych o roztworze ustala się, ile moli wody przypada na mol soli, czyli wzór hydratu. Dział zamykają obliczenia potrzebne do sporządzenia roztworu o zadanym stężeniu. Bywają połączone z reakcją chemiczną, której produkt zostaje w roztworze, i z wydajnością mniejszą niż pełna, przez którą produktu powstaje mniej, niż wynika z równania.